Připojení, diagnostika, kontrola (zvonění) odporových snímačů teploty Pt100, Pt1000, 50M, 100M a další

Číslo publikace RU2350003C2 RU2350003C2 RU2007100360/09A RU2007100360A RU2350003C2 RU 2350003 C2 RU2350003 C2 RU 2350003 A2 2007100360/09 A RU 2007100360/09A RU 2007100360 A RU09 A RU 2007100360A RU 2007100360 C2007100360 RU2350003 signál blok Pri2 Umění klíčové slovo RU 2350003 snímač napětí 2-2350003-2 Číslo přihlášky RU2004/06A Jiné jazyky Angličtina ( en ) Jiné verze RU10A ( ru Vynálezce Kari-Matti LAAKSO (FI) Kari-Matti LAAKSO Andreas BERTS (FI) Andreas je právní datum ABB Oy Google není prioritou neprovedl právní analýzu a nečiní žádné prohlášení, pokud jde o správnost uvedeného data.) 2007100360-09-2007100360 Datum podání 2004-06-10 Datum zveřejnění 2005-06-08 2009-03-20 Přihláška podaná společností ABB Oy Kritická publikace ABB Oy 2005-06 patent/RU08A/ru 2008-07-20 Schválena žádost Kritické 2007100360. 2007100360. 2009 Zveřejnění publikace RU03C20 Kritický patent/RU2009C03/ru

snímky

Klasifikace

- G – FYZIKA
- G01 – MĚŘENÍ; TESTOVÁNÍ
- G01K—MĚŘENÍ TEPLOTY; MĚŘENÍ MNOŽSTVÍ TEPLA; TEPELNĚ CITLIVÉ PRVKY JINAK NEUVEDENÉ
- G01K7/00 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků
- G01K7/16 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků pomocí odporových prvků
- G01K7/22 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků pomocí odporových prvků, přičemž prvkem je nelineární odpor, např. termistor
- G01K7/24 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu, např. pomocí termoelektrických prvků využívajících odporové prvky, přičemž prvkem je nelineární odpor, např. termistor ve speciálně upraveném obvodu, např. můstkový obvod
- G01K7/25 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu, např. pomocí termoelektrických prvků využívajících odporové prvky, přičemž prvkem je nelineární odpor, např. termistor ve speciálně upraveném obvodu, např. můstkový obvod pro úpravu výstupní charakteristiky, např. linearizace
- G – FYZIKA
- G01 – MĚŘENÍ; TESTOVÁNÍ
- G01K—MĚŘENÍ TEPLOTY; MĚŘENÍ MNOŽSTVÍ TEPLA; TEPELNĚ CITLIVÉ PRVKY JINAK NEUVEDENÉ
- G01K7/00 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků
- G01K7/16 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků pomocí odporových prvků
- G01K7/22 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu např. pomocí termoelektrických prvků pomocí odporových prvků, přičemž prvkem je nelineární odpor, např. termistor
- G01K7/24 — Měření teploty založené na použití elektrických nebo magnetických prvků přímo citlivých na teplo; Napájení k tomu, např. pomocí termoelektrických prvků využívajících odporové prvky, přičemž prvkem je nelineární odpor, např. termistor ve speciálně upraveném obvodu, např. můstkový obvod
- H — ELEKTŘINA
- H02 – GENERACE; PŘEMĚNA NEBO DISTRIBUCE ELEKTRICKÉ ENERGIE
- H02H — USPOŘÁDÁNÍ NOUZOVÝCH OCHRANNÝCH OBVODŮ
- H02H7/00 – Uspořádání nouzových ochranných obvodů speciálně upravené pro specifické typy elektrických strojů nebo přístrojů nebo pro ochranu systémů kabelů nebo vedení po částech a provádějící automatické spínání v případě nežádoucí změny od normálních provozních podmínek
- H02H7/08 – Uspořádání nouzových ochranných obvodů speciálně přizpůsobených pro specifické typy elektrických strojů nebo přístrojů nebo pro ochranu kabelových nebo vedení po částech a provádějící automatické spínání v případě nežádoucí změny od normálních provozních podmínek pro dynamoelektrické motory
- H02H7/085 – Uspořádání nouzových ochranných obvodů speciálně přizpůsobených pro specifické typy elektrických strojů nebo přístrojů nebo pro ochranu kabelových nebo vedení po částech a provádějící automatické spínání v případě nežádoucí změny normálních provozních podmínek pro dynamoelektrické motory proti nadměrnému zatížení
- H02H7/0852 – Uspořádání nouzových ochranných obvodů speciálně přizpůsobených pro specifické typy elektrických strojů nebo přístrojů nebo pro ochranu kabelových nebo kabelových systémů po částech a provádějící automatické přepínání v případě nežádoucí změny normálních provozních podmínek pro dynamoelektrické motory proti nadměrné zátěži přímo reagující na abnormální teplotu pomocí teplotního čidla
Krajiny
- Fyzika a matematika (OBLAST)
- Nelineární věda ( OBLAST )
- Obecná fyzika a matematika (OBLAST)
- Měření odporu nebo impedance ( OBLAST )
- Uspořádání pro přenos měřených signálů ( OBLAST )
- Měření proudu nebo napětí (PLOCHA)
- Testování zkratů, přerušení, netěsností nebo nesprávného připojení vedení (OBLAST)
Abstraktní

Použití: ke sledování teploty vinutí elektromotoru. Technický výsledek spočívá ve zvýšení spolehlivosti a přesnosti měření. Vynález je založen na elektronickém obvodu, ve kterém jsou vodiče vycházející ze snímače a umístěné uvnitř měřeného objektu spojeny se zpětnovazebním zesilovačem, který snižuje úroveň stejnosměrného napětí přiváděného do děliče napětí v případě, že se zvyšuje odpor snímače. Měřený signál se zesílí, poté se pomocí komparátoru porovná s výstupním napětím pilového generátoru a následně se vygeneruje spojitý pulzně modulovaný signál, který se digitálně přenese do elektronického obvodu SELV (safety low voltage), například přes opto-izolátor. Logaritmická forma reprezentace signálu po zesílení umožňuje poměrně přesně určit rozdíl mezi zkratem v obvodu snímače a nízkými hodnotami jeho odporu. 2 n. a 4 sp. f-ly, 5 nemocných.

Popis

Oblast techniky, které se vynález týká

Vynález se týká měření odporu odporového snímače, jako je termistor, s kladným (PTC) nebo záporným (NTC) teplotním koeficientem, používaného pro monitorování teploty elektrických strojů, zejména vinutí asynchronního motoru s rotorem nakrátko.

K ochraně vinutí indukčního motoru s kotvou nakrátko před přehřátím v případě zvýšení okolní teploty nebo nedostatečného chlazení motoru se kromě ochrany založené na měření proudu používají termistory. Při provozu asynchronního motoru v prostředí s nebezpečím výbuchu (Exe) existují normy, které vyžadují vybavení motoru zařízením pro měření teploty a musí být provedeno galvanické oddělení obvodu termistoru a ostatních elektronických obvodů systému. U třífázového motoru jsou tři termistory zapojeny do série, jeden na každé fázové vinutí statoru.

Vynález umožňuje měřit odpor snímače v širokém rozsahu hodnot, což umožňuje použití různých typů snímačů pro získání spolehlivé informace o přítomnosti zkratu nebo poruchy v obvodu snímače. Vynález lze také použít v případech, kdy je vyžadována vysoká elektrická pevnost (úroveň izolace) mezi obvodem snímače a elektronickým obvodem SELV (bezpečné nízké napětí).

Jedno z předchozích technických řešení je založeno na technologii automatického řízení, která spočívá v použití nestabilního multivibrátoru pracujícího na dané frekvenci a galvanickém spojení mezi měřicím obvodem a elektronickým zařízením. Galvanické oddělení je dosaženo pomocí izolačního transformátoru mezi termistorem a měřicím obvodem. Mezi nevýhody tohoto řešení patří nelinearita oddělovacího transformátoru a jeho nízká citlivost, zejména při nízkých hodnotách odporu snímače, což ztěžuje detekci zkratu. Další nevýhodou je přítomnost kapacity ve vodičích obvodu snímače, která kromě reálného vlivu odporu snímače přidává na kapacitě měřicího obvodu přes oddělovací transformátor. Galvanické oddělení pomocí izolačního transformátoru je snadné a levné.

Dalším předchozím řešením je použití lineárního optoizolátoru, ale to má problémy s vysokou cenou a velkými rozdíly v tolerancích jednotlivých součástí obvodu, což ztěžuje kalibraci měřicího obvodu. Také spolehlivost a stabilita při dlouhodobém používání jsou nízké. Výhodou tohoto řešení je dobrá linearita v širokém rozsahu odporu a rychlá odezva.

Výrobci elektromotorů volí raději termistory s kladným teplotním koeficientem (PTC), jejichž odpor se prudce mění při překročení maximální dovolené izolační teploty vinutí. Na základě tohoto efektu se používá metoda k porovnání hodnoty odporu termistoru s danou prahovou hodnotou. Přechod přes tuto prahovou hodnotu je indikován buď změnou zatěžovacího proudu oddělovacího transformátoru nebo optoizolátorem. Tato možnost je levná, ale její nevýhodou je dvoupolohový (ON/OFF) způsob výstupu dat, nedostatek informací o změně hodnoty odporu, například jak rychle se přiblíží prahové hodnotě. Rovněž není indikován zkrat v obvodu snímače.

Na trhu jsou integrované obvody Maxim Max 6691, které umožňují připojit čtyři snímače kladného nebo záporného teplotního koeficientu (PTC nebo NTC). Pomocí mikroobvodu je hodnota odporu každého snímače převedena na jeden pulzně šířkově modulovaný (PWM – Pulse Width Modulation); Rozsah pulzního pracovního cyklu je však poměrně úzký. Pracovní cyklus modulovaného pulsu klesá s rostoucím odporem, proto je čip nejvhodnější pro snímače s negativním teplotním koeficientem (NTC). Lineární režim činnosti obvodu ztěžuje rozpoznání zkratu, na rozdíl od provozu při nízkých hodnotách odporu. Rozsah měření lze upravit pomocí odporu zapojeného v sérii se snímačem, ale rozsah měření teploty vinutí motoru je velmi omezený, takže je obtížné je chránit. Neexistuje žádný jiný výrobce čipů, což znamená, že spotřebitel je přilepený na dodavatele jediné komponenty.

Na výstupu je další integrovaný obvod Smartec SMT 160-30 s vnitřním teplotním čidlem a pulzně šířkově modulovaným signálem. Vzhledem ke své velikosti a omezenému rozsahu provozních teplot však tento mikroobvod není vhodný pro ochranu vinutí elektromotoru. Frekvence pulzně modulovaného signálu na výstupu mikroobvodu je 1. 4 kHz, což klade příliš přísné požadavky na rozhraní součástek a obvodů při analýze výsledků měření.

Účelem tohoto vynálezu je vytvořit měřicí obvod odporového snímače, který by řešil výše uvedené problémy. Toho je dosaženo ve vynálezu podle nezávislého nároku 1 vzorce vynálezu. Výhodná provedení tohoto vynálezu jsou popsána v závislých nárocích.

Kromě měření odporu snímače umožňuje vynález také zjišťovat přítomnost zkratů a poruch snímače.

Základem vynálezu je elektronický obvod, ve kterém jsou vodiče z odporového snímače umístěného uvnitř chráněného objektu – obvykle snímače teploty s kladným nebo záporným teplotním koeficientem (PCT nebo NTC) – připojeny k zpětnovazebnímu zesilovači v obvodu děliče napětí. Zesilovač snižuje stejnosměrné napětí aplikované na dělič napětí se zvyšujícím se odporem snímače. Signál je zesílen a pomocí pilového generátoru a komparátoru je generován kontinuální pulzně modulovaný (PWM) signál. Signál je přenášen do bezpečnostního nízkonapěťového elektronického obvodu SELV v digitální podobě přes opto-izolátor.

Frekvence pilového generátoru může být nízká, protože časová konstanta měřeného objektu, jejíž hodnota je větší než 1 s, poskytuje dostatek času pro získání výsledků měření. To umožňuje použití levných optoizolátorů. Pro regulaci rozlišení hodnot měření odporu v širokém rozsahu (50 Ohm … 15 kOhm) se navrhuje reprezentovat výstupní signál zesilovače v logaritmické formě, což je nejjednodušší. Čím více se napětí snímače zvyšuje, tím více zesilovač snižuje napětí aplikované na dělič napětí. To znamená, že je dosaženo lepšího rozlišení při nízkých hodnotách odporu, což usnadňuje detekci zkratů v obvodu snímače.

Metoda separace digitálního signálu pomocí optoizolátoru je výhodnější než metoda separace analogového signálu pomocí lineárního optoizolátoru, která má nedostatečnou dlouhodobou stabilitu.

Stupeň rozlišení požadovaný k ochraně motoru je typicky ±7,5 %; To znamená, že měřicí obvod vyžaduje hrubé rozlišení, ale teplotní rozsah pro měření je široký a dosahuje teplot nad 150 °C.

Zařízení podle předkládaného vynálezu nabízí širokou škálu měření odporu, v praxi 50 Ohm . 15 kOhm, přičemž má největší citlivost v rozsahu 1 kOhm . 5 kOhm, což pokrývá prahové úrovně nejběžnějších termistorů s kladným a záporným teplotním koeficientem. Použitá zpětnovazební jednotka umožňuje dosáhnout dostatečné selektivity při detekci typu závad, včetně zkratu nebo přerušení obvodu. Vynález umožňuje nízkou cenu a snadnou kalibraci ve srovnání s použitím lineárních optoizolátorů. Kalibraci lze spolehlivě provést pomocí dvou měřicích bodů. Další výhodou vynálezu je použití napěťové zpětnovazební jednotky; napětí na odporu snímače je velmi nízké, méně než 2 V, a je výhodné přivádět napětí do snímače přes odpor s odporem asi 20 kOhm. Je proto naprosto bezpečné umístit termistor do prostředí Exe, protože napětí zůstává pod kritickou úrovní pro jiskření. Technologie nízkofrekvenční pulzně-šířkové modulace použitá ve vynálezu také zahrnuje použití pomaleji působících optoizolátorů s vysokou elektrickou pevností. Spolehlivost optoizolátoru při dlouhodobém používání je kritickým parametrem, takže optoizolátor musí být pečlivě vybrán a musí být vysoce kvalitní.

Místo metody pulsně šířkové modulace (PWM) lze zvolit jiné typy kódování pro reprezentaci signálu snímače v digitální podobě.

Stručný popis výkresů

Vynález je podrobněji popsán na příkladech jeho provedení a v souladu s odkazy na výkresy, kde:

Připojení, diagnostika, kontrola (zvonění) odporových snímačů teploty Pt100, Pt1000, 50M, 100M a další

V této části jsme se rozhodli vysvětlit, jak jsou odporová teplotní čidla správně připojena, jak se liší různá schémata zapojení, jak zkontrolovat teplotní čidlo, co dělat, když se schéma zapojení a čidlo, které je k dispozici, neshodují.

Hlavní schémata zapojení odporových snímačů teploty jsou uvedena na obr. 1-3.

Jak je patrné z obrázků 1-3, snímač je druh termočlánku, jehož odpor se mění v závislosti na jeho vlastní teplotě. Podle schématu zapojení lze k termočlánku připájet 2 vodiče (obr. 1), tři vodiče (obr. 2), čtyři vodiče (obr. 3) v závislosti na schématu zapojení.

Proč se používají různá schémata zapojení odporových snímačů teploty?

Faktem je, že měřeným parametrem při použití takových snímačů je odpor snímače, ale vodiče mají svůj vlastní odpor a tím zavádějí určitou chybu.

Je-li např. teplotní čidlo Pt100 při 100 stupních Celsia (odpor 0,12 Ohm) zapojeno do dvouvodičového obvodu s měděným vodičem o průřezu 2 mm3, je délka propojovacího kabelu 0,5 m, pak dva vodiče celkem dávají odpor asi 100,5 Ohm, což má za následek chybu — snímač dává celkový odpor 101,2 Ohmů, což odpovídá teplotě přibližně XNUMX stupňů.

Tuto chybu může zařízení opravit (pokud to zařízení umožňuje) zavedením seřízení o 1,2 stupně. Taková úprava však nemůže plně kompenzovat odpor vodičů snímače. To je způsobeno tím, že měděné dráty jsou samy o sobě tepelné odpory, tzn. Odpor vodičů se také mění v závislosti na teplotě. Navíc u např. vyhřívané komory se část vodičů, které jsou umístěny společně s čidlem, zahřívá a mění odpor a část mimo komoru se mění se změnami teploty v místnosti.

Ve výše diskutovaném případě s odporem drátu 0,5 ohmu, při zahřátí na každých 250 stupňů, se odpor drátů může téměř zdvojnásobit. Udává chybu 1,2 stupně Celsia navíc.

Pro eliminaci vlivu odporu vodiče je použit třívodičový připojovací obvod pro teplotní čidlo. Pomocí tohoto schématu zapojení zařízení změří celkový odpor snímače s vodiči a odpor dvou vodičů (nebo jednoho vodiče a vynásobí ho 2) a odečte odpor vodičů od součtu, čímž zvýrazní čistý odpor vodiče. senzor. Toto schéma zapojení umožňuje získat poměrně vysokou přesnost s významným vlivem odporu vodiče na přesnost měření. Toto schéma však nezohledňuje, že dráty mohou mít v důsledku výrobních chyb různý odpor (vzhledem k heterogenitě materiálu, změnám průřezu po délce atd.) takové chyby vnášejí menší odchylky v zobrazovaná teplota než u dvouvodičového obvodu, avšak u velkých délek vodičů může být významná. V takových případech může být nutné použít čtyřvodičové schéma zapojení, ve kterém zařízení přímo měří odpor snímače bez zohlednění připojovacích vodičů.

V jakých případech lze použít dvouvodičové schéma zapojení:

1. Rozsah měření není velký (například 0 stupně) a je vyžadována nízká přesnost (například 40 stupeň)

2. Připojovací vodiče mají velký průřez a jejich délka není dlouhá, to znamená, že odpor vodičů je malý ve srovnání s odporem snímače a nezavádí významnou chybu. Například celkový odpor 2 vodičů je 0,1 ohmu a odpor snímače se změní o 0,5 ohmu na stupeň, požadovaná přesnost je 0,5 stupně, takže odpor vodičů zavádí chybu menší, než je dovolená chyba.

Třívodičové schéma zapojení pro odporové snímače teploty:

Nejběžnější schéma zapojení používané pro měření na vzdálenost snímače od 3 do 100 m umožňující chybu cca 300 % v rozsahu do 0,5 stupňů, tzn. 0,5 C na 100 C.

Schéma čtyřvodičového připojení:

Obvykle se používá pro přesná měření s přesností 0,1 C a vyšší.

Spojitost (kontrola) odporových snímačů teploty:

Pro testování teplotních senzorů je zapotřebí konvenční tester, který ukazuje odpor pro senzory s odporem při nule stupňů do 100 ohmů včetně, optimální rozsah měření testeru je do 200 ohmů.

Vytáčení lze provádět při pokojové teplotě nebo při jiné předem známé teplotě v pracovní oblasti senzoru (například umístěním senzoru do nádoby se směsí vody a ledu 0 stupňů nebo varné konvice o teplotě přibližně, upraveno na tlak, 100 stupňů).

Při testování se zjišťuje, které vodiče jsou v blízkosti snímače zkratovány, odpor mezi takovými vodiči je obvykle výrazně menší než odpor snímače (jedná se o odpor mezi piny 1,3 a 2,4). Odpor mezi těmito svorkami se u standardních snímačů pohybuje od 0 do 5 Ohmů v závislosti na průřezu a délce připojovacích vodičů. Po nalezení vodičů s takovou hodnotou odporu můžeme jasně určit, které svorky kam připojit. U třívodičového obvodu jsou piny 1 a 3 ekvivalentní, tzn. pokud jsou zapojeny obráceně, měření to nijak neovlivní. Ve čtyřvodičovém obvodu jsou páry vodičů 1,3 a 2,4 navzájem ekvivalentní a v rámci páru jsou vodiče také navzájem ekvivalentní, tzn. první s třetím lze vzájemně zaměnit a druhý se čtvrtým lze zaměnit a celý pár 1,3 lze zaměnit s párem 2,4 to neovlivní výsledky měření.

Navíc se kontroluje, zda snímač funguje, tzn. udává odpor, který by měl při dané teplotě (měření mezi kolíky 1 a 2).

Tabulku hodnot odporu pro hlavní typy snímačů při různých teplotách naleznete zde.

Kromě toho se musíte ujistit, že snímač nezkratuje s tělem tepelného převodníku testováním odporu mezi vodiči a tělem snímače v rozsahu megaohmů (20 200 MOhm), přičemž se nemůžete dotýkat kontaktů těla , dráty a sondy rukama. Pokud tester nevykazuje nekonečný odpor na megaohmech, pak s největší pravděpodobností do pouzdra senzoru vnikl tuk nebo vlhkost. Takový senzor může nějakou dobu fungovat, ale přesnost naměřených hodnot se sníží, hodnoty mohou plavat.

Jak mohu připojit odporový snímač teploty, pokud jeho schéma zapojení neodpovídá schématu na zařízení?

Zvažme různé možnosti:

1. K dispozici je dvouvodičový snímač teploty

Pokud se tedy potřebujete připojit k zařízení s třívodičovým nebo čtyřvodičovým obvodem, můžete na kontakty zařízení nainstalovat jeden nebo dva propojky v místech, kde jsou připojeny zkratované vodiče. Na obrázcích 4 a 5 je to naznačeno propojkami na kolících 1,3 a 2,4.

Takové spojení nepochybně povede k chybě měření, a pokud vám ji přístroj neumožňuje kompenzovat, pak můžete pomocí běžného teploměru určit chybu čtení v požadovaném rozsahu měření a vypočítat úpravu, kterou je třeba přidat k odečtům. Tím se problém dočasně vyřeší a technologický proces se nezastaví.

2. K dispozici je třívodičové teplotní čidlo

Pokud takové čidlo připojíte pomocí dvouvodičového zapojení, doporučuje se pro snížení odporu připojovacích vodičů spojit dva zkratované vodiče u čidla k sobě (můžete také izolovat jeden ze zkratovaných vodičů a ne připojit nebo ukousnout nůžkami na drát). Snímač bude pracovat ve dvouvodičovém obvodu bez vnesení jakékoli další chyby.

Telefon: +7(495)960-92-41
Fax: +7(495)960-92-41